Radiador de mástil

Tipo de antena de radiofrecuencia

Un radiador de mástil típico y una cabaña de sintonización de antena de una estación de radio AM en Chapel Hill, Carolina del Norte , EE. UU.

Un mástil radiador (o torre radiante ) es un mástil o torre de radio en el que la propia estructura metálica se energiza y funciona como antena . Este diseño, ampliamente utilizado por primera vez en la década de 1930, se utiliza habitualmente para antenas de transmisión que funcionan a bajas frecuencias , en las bandas LF y MF , en particular las utilizadas para las estaciones de radiodifusión AM . El mástil de acero conductor está conectado eléctricamente al transmisor . Su base suele estar montada sobre un soporte no conductor para aislarla del suelo. Un radiador de mástil es una forma de antena monopolo .

Diseño estructural

La mayoría de los radiadores de mástil están construidos como mástiles arriostrados . ^{[1] [2]} Los mástiles de celosía de acero de sección triangular son el tipo más común. A veces también se utilizan mástiles de celosía cuadrados y mástiles tubulares. Para garantizar que la torre sea un conductor continuo, las secciones estructurales de la torre están unidas eléctricamente en las uniones mediante puentes de cobre cortos que se sueldan a cada lado o soldaduras de "fusión" (arco) a través de las bridas de acoplamiento.

Para garantizar que el mástil actúe como un solo conductor, las distintas secciones estructurales del mástil están conectadas eléctricamente mediante puentes de cobre.

Los mástiles alimentados por base, el tipo más común, deben estar aislados del suelo. En su base, el mástil suele estar montado sobre un aislante cerámico grueso , que tiene la resistencia a la compresión para soportar el peso de la torre y la rigidez dieléctrica para soportar el alto voltaje aplicado por el transmisor. La potencia de RF para accionar la antena es suministrada por una red de adaptación de impedancia , generalmente alojada en una cabina de sintonización de antena cerca de la base del mástil, y el cable que suministra la corriente simplemente se atornilla o se suelda a la torre. El transmisor real suele estar ubicado en un edificio separado, que suministra energía de RF a la cabaña de sintonización a través de una línea de transmisión .

Para mantenerlo en posición vertical, el mástil tiene tirantes tensados , normalmente en juegos de 3 en ángulos de 120°, que se anclan al suelo normalmente con anclajes de hormigón . Se utilizan múltiples conjuntos de tirantes (de 2 a 5) en diferentes niveles para hacer que la torre sea rígida contra el pandeo. Las líneas de viento tienen aisladores de tensión insertados, generalmente en la parte superior cerca del punto de unión al mástil, para aislar el cable conductor del mástil, evitando que el alto voltaje de la torre llegue al suelo.

Aunque están aislados del mástil, los tensores conductores pueden actuar eléctricamente como antenas resonantes ( elementos parásitos ), absorbiendo y reirradiando ondas de radio del mástil, alterando el patrón de radiación de la antena. Para evitar esto, se insertan aisladores de tensión adicionales a intervalos en los tirantes para dividir la línea en longitudes no resonantes: normalmente los segmentos deben limitarse a un máximo de un octavo a un décimo de longitud de onda ( ). ^[3] ${\displaystyle \ {\tfrac {\ 1\ }{8}}\sim {\tfrac {1}{\ 10\ }}\lambda \ }$

Los radiadores de mástil también se pueden construir como torres de celosía independientes , anchas en la parte inferior para mayor estabilidad y estrechándose hasta convertirse en un mástil delgado. ^[4] La ventaja de esta construcción es la eliminación de vientos y, por lo tanto, la reducción del área de terreno requerida. Estas torres pueden tener una sección transversal triangular o cuadrada, con cada pata apoyada sobre un aislante. Una desventaja es que la amplia base de la torre distorsiona el patrón de corriente vertical en la torre, reduciendo la resistencia a la radiación y, por tanto, la potencia radiada, por lo que se prefieren los mástiles arriostrados. ^{[ cita necesaria ]}

El ministerio de radio nacional de un país generalmente tiene autoridad regulatoria sobre el diseño y operación de las antenas de radio, además de los códigos de construcción locales que cubren el diseño estructural. En los EE. UU., esta es la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Los reguladores deben aprobar los planos para un mástil antes de construirlo.

Diseño electrico

Alimentación de la base: La energía de radiofrecuencia se suministra al mástil mediante un cable conectado a él, que proviene de una red coincidente dentro de la " cabaña de sintonización de antena " a la derecha. El aislante cerámico marrón en la base mantiene el mástil aislado eléctricamente del suelo. A la izquierda hay un seccionador de tierra y un explosor para protección contra rayos.

Los tensores tienen aisladores de tensión en forma de huevo para evitar que el alto voltaje del mástil llegue al suelo.

Un radiador de mástil único es una antena omnidireccional que irradia igual potencia de ondas de radio en todas las direcciones horizontales. ^[4] Los radiadores de mástil irradian ondas de radio polarizadas verticalmente , y la mayor parte de la energía se emite en ángulos de elevación bajos. En las bandas de frecuencia media (MF) y baja frecuencia (LF), las estaciones de radio AM cubren su área de escucha utilizando ondas terrestres , ondas de radio polarizadas verticalmente que viajan cerca de la superficie del suelo, siguiendo el contorno del terreno. ^[4] Los radiadores de mástil son buenas antenas de onda terrestre y son el principal tipo de antenas transmisoras utilizadas por las estaciones de radio AM, así como por otros servicios de radio en las bandas MF y LF. También pueden irradiar suficiente potencia en ángulos de elevación más altos para la transmisión de radio por onda ionosférica (salto).

La mayoría de las estaciones de radio utilizan antenas únicas. Se pueden utilizar múltiples mástiles alimentados con corriente de radio en diferentes fases para construir antenas direccionales , que irradian más potencia en direcciones específicas que otras.

Sistema de alimentación

El transmisor que genera la corriente de radiofrecuencia suele estar ubicado en un edificio a poca distancia del mástil, por lo que sus sensibles componentes electrónicos y su personal operativo no estarán expuestos a las fuertes ondas de radio en la base del mástil. Alternativamente, a veces se ubica en la base del mástil, con la sala del transmisor rodeada por un escudo Faraday de pantalla de cobre para mantener alejadas las ondas de radio. La corriente del transmisor se entrega al mástil a través de una línea de alimentación , un cable especializado ( línea de transmisión ) para transportar corriente de radiofrecuencia. En las frecuencias LF y MF se suele utilizar cable coaxial aislado con espuma. La línea de alimentación está conectada a una unidad de sintonización de antena ( red de adaptación de impedancia ) en la base del mástil, para hacer coincidir la línea de transmisión con el mástil. ^[5] Esto puede estar ubicado en una caja impermeable o en un pequeño cobertizo llamado cabaña de sintonización de antena (casa de hélice) al lado del mástil. El circuito de sintonización de antena hace coincidir la impedancia característica de la línea de alimentación con la impedancia de la antena (dada por el gráfico a continuación) e incluye una reactancia , generalmente una bobina de carga , para sintonizar la reactancia de la antena y hacerla resonante en el frecuencia de operación. Sin el sintonizador de antena, la falta de coincidencia de impedancia entre la antena y la línea de alimentación causaría una condición llamada ondas estacionarias ( ROE alta ), en la que parte de la potencia de la radio se refleja de regreso por la línea de alimentación hacia el transmisor, lo que resulta en ineficiencia y posiblemente sobrecalentamiento del transmisor. Desde el sintonizador de antena se atornilla o suelda al mástil un cable de alimentación corto.

Hay varias formas de alimentar un radiador de mástil: ^[6]

• Excitado en serie (alimentación base) : el mástil se apoya en un aislador, y se alimenta por la parte inferior; un lado de la línea de alimentación desde la casa de la hélice está conectado a la parte inferior del mástil y el otro a un sistema de tierra debajo del mástil. Este es el tipo de alimentación más común y se utiliza en la mayoría de las antenas de las estaciones de radio AM. ^{[4] [6]}
• Shunt excitado : la parte inferior del mástil está conectada a tierra, y un lado de la línea de alimentación está conectado al mástil en parte hacia arriba y el otro al sistema de tierra debajo del mástil. ^[6] La impedancia del mástil aumenta a lo largo de su longitud, por lo que al elegir la altura correcta para conectar, la impedancia de la antena se puede adaptar a la línea de alimentación. Esto evita la necesidad de aislar el mástil del suelo, elimina la necesidad de un aislador en la línea eléctrica de iluminación de la aeronave y el riesgo de descarga eléctrica de altos voltajes en la base del mástil.
• Unipolo plegado : esto puede considerarse una variación de la alimentación en derivación, arriba. El mástil de la antena está conectado a tierra y un "faldón" tubular de cables está sujeto a la parte superior de la antena y cuelga paralelo al mástil, rodeándolo, hasta el nivel del suelo, donde se alimenta. Tiene un ancho de banda más amplio que una sola torre.
• Seccional : también conocida como "antena anti-fading", el mástil se divide en dos secciones con un aislante entre ellas para formar dos antenas verticales apiladas, alimentadas en fase. ^[6] Esta disposición colineal mejora la radiación de ángulo bajo (onda terrestre) y reduce la radiación de ángulo alto (onda celeste). Esto aumenta la distancia a la zona de papilla donde la onda terrestre y la onda celeste tienen una fuerza similar durante la noche.

Las regulaciones gubernamentales generalmente requieren que la energía alimentada a la antena sea monitoreada en la base de la antena, por lo que la cabina de sintonización de antena también incluye un circuito de muestreo de corriente de antena, que envía sus mediciones de regreso a la sala de control del transmisor. ^[7] Normalmente, en la cabaña también se encuentra la fuente de alimentación para las luces de advertencia de los aviones.

Altura del mástil y patrón de radiación.

Patrones de radiación vertical medidos de antenas de radiadores de mástil monopolar montadas en el suelo. La distancia de la línea desde el origen en un ángulo de elevación dado es proporcional a la densidad de potencia radiada en ese ángulo. Para una entrada de energía determinada, la potencia radiada en direcciones horizontales aumenta con la altura desde el monopolo de cuarto de onda (0,25 λ, azul ) hasta el monopolo de media onda (0,5 λ, verde ) hasta un máximo en una longitud de 0,625 λ ( rojo )

Resistencia de base medida y reactancia de un radiador de mástil alimentado por base típico frente a la altura

La altura ideal de un radiador de mástil depende de la frecuencia de transmisión , la distribución geográfica de la audiencia y el terreno. Un radiador de mástil no seccionalizado es una antena monopolo , y su patrón de radiación vertical , la cantidad de potencia que irradia en diferentes ángulos de elevación, está determinada por su altura en comparación con la longitud de onda de las ondas de radio, igual a la velocidad de la luz dividida por la frecuencia. . La altura del mástil suele especificarse en fracciones de longitud de onda, o en " grados eléctricos " ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \lambda =c/f}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle f}$

${\displaystyle G=360^{\circ }{h \over \lambda }}$

donde cada grado equivale a metros. La distribución de corriente en el mástil determina el patrón de radiación . La corriente de radiofrecuencia fluye hacia arriba por el mástil y se refleja desde la parte superior, y la corriente directa y reflejada interfieren , creando una onda estacionaria aproximadamente sinusoidal en el mástil con un nodo (punto de corriente cero) en la parte superior y un máximo de un cuarto de longitud de onda hacia abajo. ^{[6] [8]} ${\displaystyle \lambda /360}$

${\displaystyle i(y)=I_{\text{max}}\sin(G-y)}$

donde es la corriente a una altura de grados eléctricos sobre el suelo y es la corriente máxima. A alturas de poco menos de un múltiplo de un cuarto de longitud de onda, ...(G = 90°, 180°, 270°...) el mástil es resonante ; a estas alturas la antena presenta una resistencia pura a la línea de alimentación , simplificando la adaptación de la impedancia de la línea de alimentación a la antena. En otras longitudes la antena tiene reactancia capacitiva o reactancia inductiva . Sin embargo, los mástiles de estas longitudes se pueden alimentar de manera eficiente cancelando la reactancia de la antena con una reactancia conjugada en la red de adaptación en la casa de la hélice. Debido al espesor finito del mástil, la resistencia y otros factores, la corriente real de la antena en el mástil difiere significativamente de la onda sinusoidal ideal supuesta anteriormente y, como se muestra en el gráfico, las longitudes resonantes de una torre típica están más cerca de los 80°. 140° y 240°. ${\displaystyle i(y)}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle I_{\text{max}}}$ ${\displaystyle {1 \over 4}\lambda ,{1 \over 2}\lambda ,{3 \over 4}\lambda }$

Las ondas terrestres viajan horizontalmente alejándose de la antena justo por encima del suelo, por lo que el objetivo de la mayoría de los diseños de mástiles es irradiar una cantidad máxima de potencia en direcciones horizontales. ^[9] Una antena monopolo ideal irradia potencia máxima en direcciones horizontales a una altura de 225 grados eléctricos, aproximadamente5/8o 0,625 de una longitud de onda (esta es una aproximación válida para un mástil típico de espesor finito; para un mástil infinitamente delgado, el máximo se produce en = 0,637 ^[6] ). Como se muestra en el diagrama, en alturas por debajo de la mitad de la longitud de onda (180 grados eléctricos) El patrón de radiación de la antena tiene un solo lóbulo con un máximo en direcciones horizontales. En alturas superiores a media longitud de onda, el patrón se divide y tiene un segundo lóbulo dirigido hacia el cielo en un ángulo de aproximadamente 60°. La razón por la que la radiación horizontal es máxima en 0,625 es que ligeramente por encima de la mitad de la longitud de onda, la radiación de fase opuesta de los dos lóbulos interfiere destructivamente y se cancela en ángulos de elevación elevados, lo que provoca que la mayor parte de la energía se emita en direcciones horizontales. ^[6] Las alturas superiores a 0,625 generalmente no se utilizan porque por encima de ésta la potencia radiada en direcciones horizontales disminuye rápidamente debido al aumento de la potencia desperdiciada en el cielo en el segundo lóbulo. ^[4] ${\displaystyle 2\lambda /\pi }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$

Para mástiles de banda de transmisión AM de onda media, 0,625 sería una altura de 117 a 341 m (384 a 1119 pies), y más alto para mástiles de onda larga. Los elevados costes de construcción de estos mástiles altos hacen que con frecuencia se utilicen mástiles más cortos. ${\displaystyle \lambda }$

Lo anterior proporciona el patrón de radiación de un mástil perfectamente conductor sobre un terreno perfectamente conductor. La intensidad real de la señal recibida en cualquier punto del suelo está determinada por dos factores: la potencia radiada por la antena en esa dirección y la atenuación del camino entre la antena transmisora ​​y el receptor, que depende de la conductividad del suelo . ^[10] El proceso de diseño de un mástil de radio real generalmente implica realizar un estudio de la conductividad del suelo y luego utilizar un programa informático de simulación de antena para calcular un mapa de la intensidad de la señal producida por los mástiles reales disponibles comercialmente sobre el terreno real. Esto se compara con la distribución de la población de audiencia para encontrar el mejor diseño. ^[10]

Diseños antidecoloración

Un segundo objetivo de diseño que afecta la altura es reducir el desvanecimiento por trayectos múltiples en el área de recepción. ^[9] Parte de la energía de radio irradiada en ángulo hacia el cielo es reflejada por capas de partículas cargadas en la ionosfera y regresa a la Tierra en el área de recepción. Esto se llama onda celeste . A determinadas distancias de la antena, estas ondas de radio están desfasadas con las ondas terrestres, y las dos ondas de radio interfieren destructivamente y se anulan parcial o totalmente, reduciendo la intensidad de la señal. Esto se llama desvanecimiento . Por la noche, cuando la reflexión ionosférica es más fuerte, esto da como resultado una región anular de baja intensidad de señal alrededor de la antena en la que la recepción puede ser inadecuada, a veces llamada "zona de silencio", pared de desvanecimiento o zona de papilla . Sin embargo, el desvanecimiento por trayectos múltiples sólo se vuelve significativo si la intensidad de la señal de la onda ionosférica está dentro de aproximadamente el 50% (3 dB) de la onda terrestre. Al reducir ligeramente la altura de un monopolo, la potencia radiada en el segundo lóbulo se puede reducir lo suficiente como para eliminar el desvanecimiento por trayectos múltiples, con sólo una pequeña reducción en la ganancia horizontal. ^[6] La altura óptima es de alrededor de 190 grados eléctricos o 0,53 , por lo que esta es otra altura común para los mástiles. ^[6] ${\displaystyle \lambda }$

Mástiles seccionales

Un tipo de mástil con un rendimiento anti-decoloración mejorado es el mástil seccional, también llamado mástil anti-decoloración. ^{[11] [12]} En un mástil seccionado, los aisladores en los miembros de soporte verticales dividen el mástil en dos secciones conductoras apiladas verticalmente, que se alimentan en fase mediante líneas de alimentación separadas. Esto aumenta la proporción de potencia radiada en direcciones horizontales y permite que el mástil tenga una altura superior a 0,625 sin una radiación excesiva en ángulo alto. Actualmente se utilizan con buenos resultados módulos prácticos seccionales con alturas de 120 sobre 120 grados, 180 sobre 120 grados y 180 sobre 180 grados. ${\displaystyle \lambda }$

Mástiles eléctricamente cortos

El límite inferior de la frecuencia a la que se pueden utilizar los radiadores de mástil está en la banda de baja frecuencia , debido a la creciente ineficiencia de los mástiles de menos de un cuarto de longitud de onda.

A medida que la frecuencia disminuye, la longitud de onda aumenta, lo que requiere una antena más alta para generar una fracción determinada de una longitud de onda. Los costos de construcción y el área de terreno requerida aumentan con la altura, lo que pone un límite práctico a la altura del mástil. Los mástiles de más de 300 m (980 pies) son prohibitivamente caros y se han construido muy pocos; Los mástiles más altos del mundo miden alrededor de 600 m (2000 pies). Otra limitación en algunas zonas son las restricciones de altura de las estructuras; Cerca de los aeropuertos, las autoridades de aviación pueden limitar la altura máxima de los mástiles. Estas limitaciones a menudo requieren el uso de un mástil más corto que la altura ideal.

Las antenas significativamente más cortas que la longitud de resonancia fundamental de un cuarto de la longitud de onda (0,25 , 90 grados eléctricos) se denominan antenas eléctricamente cortas . Las antenas eléctricamente cortas son radiadores eficientes ; la ganancia incluso de una antena corta es muy cercana a la de una antena de un cuarto de onda. Sin embargo, no se pueden conducir de manera eficiente debido a su baja resistencia a la radiación . ^[6] La resistencia a la radiación de la antena, la resistencia eléctrica que representa la potencia radiada en forma de ondas de radio, que es de alrededor de 25 a 37  ohmios a un cuarto de longitud de onda, disminuye por debajo de un cuarto de longitud de onda con el cuadrado de la relación entre la altura del mástil y longitud de onda. Otras resistencias eléctricas en el sistema de antena, la resistencia óhmica del mástil y el sistema de tierra enterrado, están en serie con la resistencia a la radiación y la potencia del transmisor se divide proporcionalmente entre ellas. A medida que la resistencia a la radiación disminuye, una mayor parte de la potencia del transmisor se disipa en forma de calor en estas resistencias, lo que reduce la eficiencia de la antena. Rara vez se utilizan mástiles de menos de 0,17 (60 grados eléctricos). A esta altura, la resistencia a la radiación es de aproximadamente 10 ohmios, por lo que la resistencia típica de un sistema de tierra enterrado, 2 ohmios, es aproximadamente el 20 % de la resistencia a la radiación, por lo que por debajo de esta altura más del 20 % de la potencia del transmisor se desperdicia en el suelo. sistema. ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$

Un segundo problema con los mástiles eléctricamente cortos es que la reactancia capacitiva del mástil es alta, lo que requiere una gran bobina de carga en el sintonizador de antena para sintonizarla y hacer que el mástil resuene. La alta reactancia frente a la baja resistencia le dan a la antena un alto factor Q ; La antena y la bobina actúan como un circuito sintonizado de alta Q , lo que reduce el ancho de banda utilizable de la antena.

En frecuencias más bajas, los radiadores de mástil se reemplazan por antenas de carga superior capacitiva más elaboradas, como la antena T o la antena tipo paraguas , que pueden tener una mayor eficiencia.

Cargas superiores capacitivas

"Sombrero de copa" capacitivo en el mástil de la torre de radio AM en Hamersley, Australia

En circunstancias en las que se deben utilizar mástiles cortos, a veces se agrega una carga superior capacitiva (también conocida como sombrero de copa o sombrero de capacitancia ) en la parte superior del mástil para aumentar la potencia radiada. ^{[13] [14]} Esta es una pantalla redonda de cables horizontales que se extienden radialmente desde la parte superior de la antena. Actúa como placa de condensador ; el aumento de corriente en el mástil requerido para cargar y descargar la capacitancia de carga superior en cada ciclo de RF aumenta la potencia radiada. Dado que la carga superior actúa eléctricamente como una longitud adicional de mástil, a esto se le llama " alargamiento eléctrico " de la antena. Otra forma de construir un sombrero de capacidad es usar secciones del juego de cables de sujeción superiores, insertando los aisladores de tensión en la línea de sujeción a una distancia corta del mástil. Los sombreros de capacidad están estructuralmente limitados al equivalente de 15 a 30 grados de altura eléctrica adicional.

Sistema de puesta a tierra

En el caso de los radiadores de mástil, la tierra situada bajo el mástil forma parte de la antena; la corriente alimentada al mástil pasa a través del aire hasta el suelo debajo de la antena como corriente de desplazamiento (campo eléctrico). ^[15] El suelo también sirve como plano de tierra para reflejar las ondas de radio. La antena recibe energía entre la parte inferior del mástil y el suelo, por lo que requiere un sistema de conexión a tierra (tierra) debajo de la antena para hacer contacto con el suelo y recoger la corriente de retorno. Un lado de la línea de alimentación de la hélice está sujeto al mástil y el otro lado al sistema de tierra. El sistema de tierra está en serie con la antena y transporta toda la corriente de la antena, por lo que para mayor eficiencia su resistencia debe mantenerse baja, por debajo de dos ohmios, por lo que consiste en una red de cables enterrados en la tierra. ^[16] Dado que para una antena omnidireccional las corrientes de la Tierra viajan radialmente hacia el punto de tierra desde todas las direcciones, el sistema de puesta a tierra generalmente consiste en un patrón radial de cables enterrados que se extienden hacia afuera desde la base del mástil en todas las direcciones, conectados entre sí al suelo. cable en un terminal al lado de la base. ^[dieciséis]

La potencia del transmisor perdida en la resistencia del suelo y, por tanto, la eficiencia de la antena, depende de la conductividad del suelo. Esto varía ampliamente; Los terrenos pantanosos o estanques, particularmente de agua salada, proporcionan el terreno de menor resistencia. La densidad de corriente de RF en la tierra, y por lo tanto la pérdida de potencia por metro cuadrado, aumenta cuanto más nos acercamos al terminal de tierra en la base del mástil, ^[16] por lo que se puede considerar que el sistema de tierra radial reemplaza el suelo con un medio de mayor conductividad, cobre, en las partes del suelo que transportan alta densidad de corriente, para reducir las pérdidas de energía.

Un sistema de tierra estándar ampliamente utilizado y aceptable para la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. son 120 cables de tierra radiales equiespaciados que se extienden a lo largo de un cuarto de longitud de onda (0,25 , 90 grados eléctricos) desde el mástil. ^{[16] [15]} Generalmente se utiliza alambre de cobre estirado suave de calibre n.° 10, enterrado de 10 a 25 cm (4 a 10 pulgadas) de profundidad. ^[16] Para los mástiles de la banda de transmisión AM , esto requiere un área terrestre circular que se extienda desde el mástil entre 47 y 136 m (154 y 446 pies). Por lo general, se planta con césped, que se mantiene corto, ya que el césped alto puede aumentar la pérdida de energía en determinadas circunstancias. Si el área de tierra alrededor del mástil es demasiado limitada para radiales tan largos, en muchos casos pueden reemplazarse por un mayor número de radiales más cortos. El soporte metálico debajo del aislador del mástil está unido al sistema de tierra con correas metálicas conductoras para que no aparezca voltaje a través de la plataforma de concreto que sostiene el mástil, ya que el concreto tiene malas cualidades dieléctricas. ${\displaystyle \lambda }$

Para mástiles cerca de una altura de media longitud de onda (180 grados eléctricos), el mástil tiene un voltaje máximo ( antinodo ) cerca de su base, lo que resulta en fuertes campos eléctricos en la tierra por encima de los cables de tierra cerca del mástil donde la corriente de desplazamiento ingresa al suelo. Esto puede provocar importantes pérdidas de energía dieléctrica en la tierra. Para reducir esta pérdida, estas antenas suelen utilizar una pantalla de tierra de cobre conductora alrededor del mástil conectada a los cables de tierra enterrados, ya sea en el suelo o elevados unos pocos pies, para proteger la tierra del campo eléctrico. Otra solución es aumentar el número de cables de tierra cerca del mástil y enterrarlos a poca profundidad en una capa superficial de pavimento asfáltico , que tiene bajas pérdidas dieléctricas.

Equipos auxiliares

Esgrima

Los radiadores de mástil alimentados por base tienen un alto voltaje en la base del mástil, lo que puede provocar una descarga eléctrica peligrosa a una persona conectada a tierra que los toque. El potencial en el mástil suele ser de varios miles de voltios con respecto al suelo. Los códigos eléctricos exigen que dichos equipos de alto voltaje expuestos estén cercados del público, por lo que el mástil y la cabina de sintonización de antena están rodeados por una cerca cerrada. Generalmente se utiliza una cerca de alambre , pero a veces se usan cercas de madera para evitar que las corrientes inducidas en una cerca metálica distorsionen el patrón de radiación de la antena. Un diseño alternativo es montar el mástil encima de la cabina de sintonización de antena, fuera del alcance del público, eliminando la necesidad de una valla.

Luces de advertencia de aviones

Los mástiles de las antenas son lo suficientemente altos como para representar un peligro para los aviones. Las regulaciones de aviación requieren que los mástiles estén pintados con franjas alternas de pintura internacional naranja y blanca, y que tengan luces de advertencia de aeronaves a lo largo de su longitud, para hacerlos más visibles para las aeronaves. Las regulaciones requieren luces intermitentes en la parte superior y (dependiendo de la altura) en varios puntos a lo largo de la torre. El alto voltaje de radiofrecuencia en el mástil plantea un problema para alimentar las luces de advertencia: el cable de alimentación que recorre el mástil desde las luces para conectarse a la línea eléctrica principal se encuentra en el alto potencial de RF del mástil. ^{[17] [3]} Sin equipo de protección, conduciría corriente de radiofrecuencia (RF) a la tierra del cableado de alimentación de CA, provocando un cortocircuito en el mástil. Para evitar esto, se instala un aislador protector en el cable de alimentación de iluminación en la base del mástil que bloquea la corriente de RF mientras deja que la energía CA de baja frecuencia de 50 o 60 Hz pase por el mástil. Se han utilizado varios tipos de dispositivos aislantes:

Transformador Austin en la base de la torre transmisora ​​WMCA y WNYC en Kearny, Nueva Jersey

• Transformador Austin : este es un tipo especializado de transformador de aislamiento fabricado específicamente para este uso, en el que los devanados primario y secundario del transformador están separados por un espacio de aire, lo suficientemente ancho como para que el alto voltaje de la antena no pueda saltar. ^[3] Consiste en un núcleo de hierro toroidal en forma de anillo con el devanado primario enrollado alrededor de él, montado en un soporte que se extiende desde la base de concreto debajo del aislador de la antena, conectado a la fuente de energía de iluminación. El devanado secundario que proporciona energía a las luces del mástil es una bobina en forma de anillo que pasa a través del núcleo toroidal como dos eslabones de una cadena, con un espacio de aire entre los dos. El campo magnético creado por el devanado primario induce corriente en el devanado secundario sin necesidad de una conexión directa entre ellos.
• Estrangulador : consiste en un inductor , una bobina de alambre fino enrollado alrededor de una forma cilíndrica. ^[3] La impedancia (resistencia a la corriente alterna) de un inductor aumenta con la frecuencia de la corriente. El inductor de aislamiento es un filtro de paso bajo , está construido para tener una alta impedancia en radiofrecuencias que evita que la corriente de RF pase, pero una impedancia insignificante en la frecuencia de red más baja de 50/60 Hz, por lo que la energía de CA puede pasar a través de las luces. Se inserta un estrangulador en cada una de las 3 líneas (caliente, neutral, tierra de seguridad) que forman el cable de alimentación. El extremo de bajo voltaje de cada inductor se deriva a través de un capacitor a tierra, de modo que el alto voltaje inducido en el extremo de bajo voltaje mediante acoplamiento capacitivo a través de la capacitancia entre devanados del inductor se conduce a tierra.
• Circuito resonante paralelo (trampa) : consta de un inductor y un condensador conectados en paralelo en la línea eléctrica. Los valores de inductancia y capacitancia se eligen de modo que la frecuencia de resonancia del circuito sea la frecuencia de funcionamiento de la antena. Un circuito resonante paralelo tiene una impedancia muy alta (miles de ohmios) en su frecuencia de resonancia, por lo que bloquea la corriente de RF, pero una impedancia baja en todas las demás frecuencias, lo que permite el paso de la energía de iluminación de CA. Este circuito solo bloquea la frecuencia específica a la que está sintonizado, por lo que si se cambia la frecuencia del transmisor de radio, se debe ajustar la trampa.

Interruptor de protección contra rayos y puesta a tierra.

En su base, el mástil debe tener un pararrayos que consista en un descargador de chispas de bola o bocina entre el mástil y el terminal de tierra, de modo que la corriente proveniente del impacto de un rayo al mástil sea conducida a tierra. ^[3] El conductor del pararrayos debe ir directamente a una estaca metálica de tierra por el camino más corto. La parte superior del mástil debe tener un pararrayos para proteger la luz de advertencia superior de la aeronave. ^[3] El mástil también debe tener una conexión de CC a tierra, para que las cargas eléctricas estáticas del mástil puedan evacuarse. ^[3] También en la base hay un interruptor de conexión a tierra, que se utiliza para conectar el mástil al sistema de tierra durante las operaciones de mantenimiento para garantizar que no haya posibilidad de que haya alto voltaje presente en el mástil cuando el personal esté trabajando en él.

Antenas colocadas

Un mástil de radio alto es una estructura conveniente para montar otras antenas inalámbricas, por lo que muchas estaciones de radio alquilan espacio en sus torres a otros servicios de radio para sus antenas. Éstas se denominan antenas colocadas . Los tipos de antenas que suelen montarse en radiadores de mástil son: antenas de látigo de fibra de vidrio para sistemas de radio móviles terrestres para servicios de taxi y entrega, antenas parabólicas para enlaces de retransmisión de microondas que transportan telecomunicaciones comerciales y datos de Internet, antenas de radiodifusión de FM que constan de bahías colineales de elementos dipolares trenzados, y antenas de estaciones base celulares .

Siempre que las antenas colocadas no operen en frecuencias cercanas a la frecuencia de transmisión del mástil, generalmente es posible aislarlas eléctricamente del voltaje en el mástil. Las líneas de transmisión que alimentan energía de RF a las antenas colocadas plantean prácticamente el mismo problema que las líneas eléctricas de iluminación de los aviones: tienen que pasar por la torre y atravesar el aislante de la base y conectarse a equipos de bajo voltaje, por lo que, sin dispositivos de aislamiento, transportarán la alto voltaje del mástil y puede provocar un cortocircuito del mástil a tierra. Las líneas de transmisión están aisladas mediante inductores de filtro de paso bajo que consisten en hélices de cable coaxial enrolladas en una forma no conductora. ^[17]

Historia

La antena vertical o monopolo fue inventada y patentada por el empresario de radio Guglielmo Marconi en 1896 durante el desarrollo de los primeros transmisores y receptores de radio prácticos . Inicialmente utilizó antenas dipolo horizontales inventadas por Heinrich Hertz , pero no pudo comunicarse más allá de unos pocos kilómetros. Descubrió mediante experimentos que si conectaba un terminal de su transmisor y receptor a un cable vertical suspendido sobre su cabeza, y el otro terminal a una placa de metal enterrada en la Tierra, podía transmitir a distancias más largas. Las antenas de Marconi, así como la mayoría de las demás antenas verticales hasta la década de 1920, estaban construidas con cables suspendidos por mástiles de madera.

Uno de los primeros radiadores de mástil grande fue el mástil tubular experimental de 130 metros (420 pies) erigido en 1906 por Reginald Fessenden para su transmisor de chispa en Brant Rock, Massachusetts , con el que realizó la primera transmisión transatlántica bidireccional, comunicándose con un Estación idéntica en Machrihanish , Escocia. Sin embargo, durante la era de la radiotelegrafía anterior a 1920, la mayoría de las estaciones de radio de larga distancia transmitían en la banda de onda larga , lo que limitaba la altura vertical del radiador a mucho menos de un cuarto de longitud de onda, por lo que la antena era eléctricamente corta y tenía una baja resistencia a la radiación de 5 a 30 ohmios. ^[9] Por lo tanto, la mayoría de los transmisores usaban antenas de carga superior capacitiva como la antena tipo paraguas o la antena L y T invertida para aumentar la potencia radiada. Durante esta época, el funcionamiento de las antenas se entendía poco y los diseños se basaban en prueba y error y en reglas generales medio comprendidas.

El inicio de la radiodifusión AM en 1920 y la asignación de frecuencias de onda media a las estaciones de radiodifusión provocaron un aumento del interés por las antenas de onda media. La antena plana o T se utilizó como antena de transmisión principal durante la década de 1920. ^[9] Tenía la desventaja de que requería dos mástiles, el doble del costo de construcción de una antena de un solo mástil, mucha más superficie terrestre y las corrientes parásitas en los mástiles distorsionaban el patrón de radiación. Dos artículos históricos publicados en 1924 por Stuart Ballantine condujeron al desarrollo del radiador de mástil. ^[9] Uno dedujo la resistencia a la radiación de una antena monopolo vertical sobre un plano de tierra. ^[18] Encontró que la resistencia a la radiación aumentaba hasta un máximo en una longitud de media longitud de onda, por lo que un mástil alrededor de esa longitud tenía una resistencia de entrada que era mucho mayor que la resistencia del suelo, reduciendo la fracción de potencia del transmisor que se perdía en el sistema terrestre. En un segundo artículo del mismo año demostró que la cantidad de energía radiada horizontalmente en ondas terrestres alcanzaba un máximo a una altura de mástil de 0,625 (225 grados eléctricos). ^[19] ${\displaystyle \lambda }$

En 1930, las desventajas de la antena T llevaron a las emisoras a adoptar la antena de radiador de mástil. ^[9] Uno de los primeros tipos utilizados fue la torre voladiza de diamante o torre Blaw-Knox . Tenía forma de diamante ( romboédrico ) lo que lo hacía rígido, por lo que solo se necesitaba un conjunto de vientos en su cintura ancha. El extremo inferior puntiagudo de la antena terminaba en un gran aislante cerámico en forma de rótula sobre una base de hormigón, aliviando los momentos de flexión en la estructura. El primero, un mástil de media onda de 200 metros (665 pies) se instaló en el transmisor de 50 kW de Wayne, Nueva Jersey de la estación de radio WABC en 1931. ^{[20] [21]} También se introdujeron sistemas de tierra de cables radiales durante esta época.

Durante la década de 1930, la industria de la radiodifusión reconoció el problema del desvanecimiento por trayectos múltiples , que durante la noche las ondas de alto ángulo reflejadas desde la ionosfera interferían con las ondas terrestres, provocando una región anular de mala recepción a cierta distancia de la antena. ^[9] Se descubrió que la forma de diamante de la torre Blaw-Knox tenía una distribución de corriente desfavorable que aumentaba la potencia emitida en ángulos elevados. En la década de 1940, la industria de la radiodifusión AM había abandonado el diseño de Blaw-Knox por el mástil de celosía de sección transversal estrecha y uniforme que se utiliza hoy en día, que tenía un mejor patrón de radiación. Se descubrió que reducir la altura del mástil monopolo de 225 grados eléctricos a 190 grados podría eliminar las ondas de radio de alto ángulo que causaban el desvanecimiento. En esta época también se desarrollaron mástiles seccionales.

Notas

1. Smith 2007, pag. 24-26.
2. Williams 2007, pág. 1789-1800.
3. Johnson 1993, pág. 25.25-25.27.
4. Johnson 1993, pag. 25.2-25.4.
5. Williams 2007, pág. 739-755.
6. Williams 2007, pág. 715-716.
7. Williams 2007, pág. 726-729.
8. Johnson 1993, pag. 25.5.
9. Laport 1952, pag. 77-80.
10. Williams 2007, pág. 713.
11. Williams 2007, pág. 717-718.
12. Johnson 1993, pag. 25.8-25.11.
13. Williams 2007, pág. 717.
14. "sombrero de capacitancia". Diccionario McGraw-Hill de términos científicos y técnicos, 6E . Las empresas McGraw-Hill, Inc. 2003 . Consultado el 31 de octubre de 2022 .
15. Williams 2007, pág. 718-720.
16. Johnson 1993, pag. 25.11-25.12.
17. Lockwood, Stephen S.; Cox, Bobby L. "Nuevas herramientas para ubicar dispositivos inalámbricos con antenas AM" (PDF) . Laboratorios Kintronic, Inc. Consultado el 7 de abril de 2020 .
18. Ballantine, Stuart (diciembre de 1924). "Sobre la longitud de onda de transmisión óptima para una antena vertical sobre una Tierra perfecta". Actas del Instituto de Ingenieros de Radio . 12 (6). Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos: 833–839. doi :10.1109/JRPROC.1924.220011. S2CID  51639724 . Consultado el 15 de abril de 2020 .
19. Ballantine, Stuart (diciembre de 1924). "Sobre la resistencia a la radiación de una antena vertical simple en longitudes de onda inferiores a la fundamental". Actas del Instituto de Ingenieros de Radio . 12 (6). Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos: 823–832. doi :10.1109/JRPROC.1924.220010. S2CID  51654399 . Consultado el 18 de abril de 2020 .
20. "Antena de mástil de media onda: una estructura de 665 pies que constituye un nuevo punto de partida" (PDF) . Radio-Artesanía . 3 (5). Mount Morris, Illinois: Techni-Craft Publishing Corp.: 269 de noviembre de 1931 . Consultado el 31 de agosto de 2014 .
21. Siemens, Frederick (diciembre de 1931). "Nueva antena" inalámbrica "de WABC" (PDF) . Noticias de radio . 8 (6). Nueva York: Teck Publishing Corp.: 462–463 . Consultado el 26 de mayo de 2015 .

Referencias

• Johnson, Richard C. (1993). Manual de ingeniería de antenas, tercera edición (PDF) . McGraw-Hill. ISBN 007032381X.
• Laport, Edmundo A. (1952). Ingeniería de Antenas de Radio. McGraw-Hill Book Co.
• Smith, Brian W. (2007). Estructuras de comunicación. Tomás Telford. ISBN 978-0-7277-3400-6.
• Williams, Edmundo, ed. (2007). Manual de ingeniería de la Asociación Nacional de Radiodifusores, 10.ª edición. Taylor y Francisco. ISBN 978-0-240-80751-5.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )

Ver también

• Mástiles y torres de radio
• Mástil arriostrado